KR100731464B1 - 이차 전지와 이를 이용한 이차 전지의 제조방법 - Google Patents

이차 전지와 이를 이용한 이차 전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

이차 전지는 일측이 개구된 케이스와, 케이스의 내부에 수용되는 전극 조립체 및 케이스를 밀봉시키며 일측에 마개에 의해 밀봉되는 다각형 형상의 전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 갖는 캡 조립체를 포함하므로, 전해액이 자연주입법에 의해 케이스에 주입될 수 있고, 전해액 주입구와 마개의 용접시 용접궤적이 직선을 유지할 수 있는 이점이 있다.
이차 전지, 전해액, 전해액 주입구, 마개, 자연주액

Description

이차 전지와 이를 이용한 이차 전지의 제조방법 { SECONDARY BATTERY AND THE SAME USING METHOD }
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지의 분리사시도,
도 2는 본 발명에 따른 이차 전지의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 이차 전지의 캡 플레이트를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 이차 전지의 마개를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100 : 캡 조립체 110 : 캡 플레이트
111 : 제1단자통공 113 : 전해액 주입구
115 : 마개 117 : 마개가스켓
120 : 가스켓 130 : 전극단자
140 : 절연플레이트 141 : 제2단자통공
150 : 터미널 플레이트 151 : 제3단자통공
160 : 절연케이스 170 : 절연부재
200 : 케이스 210 : 제1전극판
215 : 제1전극탭 220 : 제2전극판
225 : 제2전극탭 230 : 세퍼레이터
250 : 전극조립체
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캡 플레이트와 마개가스켓이 구비된 이차전지와 이를 이용한 이차 전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차 전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 리튬 이차 전지는 이차전지용 케이스와, 케이스의 내부에 수용되는 젤리-롤형 전극 조립체와, 케이스의 상부에 결합되는 캡 조립체로 구성된다.
전극 조립체는 활물질이 코팅된 제1,2전극판과, 제1,2전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취되며, 이차 전지용 케이스 내측에 수용되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
캡 조립체는 전극 조립체가 수용된 케이스의 상부에 결합된다. 케이스의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 갖는 평판형의 캡 플레이트가 마련되고, 중앙부에는 전극단자가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다. 전극단자의 외측에는 전극단자와 캡 플레이트와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓이 설치된다. 캡 플레이트의 하면에는 절연 플레이트가 배치되고, 절연 플레이트의 하면에 전극단자와 연결되는 터미널 플레이트가 순차적으로 배치된다.
여기서, 캡 플레이트에는 일측에 전해액 주입구가 형성되고, 전해액 주입구는 볼형상의 마개에 의해 밀봉된다. 전해액 주입구와 마개 사이에는 용접작업이 추 가로 요구된다.
이러한 구성을 갖는 이차 전지는 케이스의 내부에 전극조립체를 수용시킨 후, 캡 조립체로 밀봉시킨다. 다음, 캡 플레이트의 일측에 형성된 전해액 주입구를 통해 케이스의 내측에 전해액을 주입시킨다. 이때, 주입되는 전해액은 전해액 주입구가 좁으므로 자연적으로 주입할 수 없다. 이에, 전해액 주입구에는 별도의 장비를 마련하여 전해액을 강제주입하게 된다.
따라서, 이러한 이차전지는 전해액을 주입하기 위해 별도의 장비가 필요하므로 장비를 설치하는 번거로움이 유발된다.
또한, 전해액 주입구와 마개는 원형으로 형성됨에 따라 이를 용접하기 위한 용접궤적이 곡선으로 되어 용접기의 이동이 일정하지 않아 용접불량이 유발된다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전해액을 자연주입할 수 있는 이차 전지와 이를 이용한 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전해액 주입구와 마개의 용접불량을 줄일 수 있는 이차 전지와 이를 이용한 이차 전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일측이 개구된 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수용되는 전극 조립체 및 상기 케이스를 밀봉시키며 일측에 마개에 의해 밀봉되는 다각형 형상의 전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 갖는 캡 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
상기 전해액 주입구의 크기는 상기 캡 플레이트 면적의 5~20% 인 이 좋다.
상기 전해액 주입구는 사각형으로 형성될 수 있으며, 상기 전해액 주입구는 직사각형으로 형성된 것이 좋다.
상기 마개는 상기 전해액 주입구의 형상에 대응되게 형성된 것이 바람직하다.
상기 마개는 그 상면이 상기 전해액 주입구의 면적보다 넓으며, 상기 전해액 주입구의 내면과 접촉되도록 하측으로 돌출된 가이드가 마련된 것이 좋다.
상기 가이드의 외면에는 마개가스켓이 마련될 수 있으며, 상기 마개가스켓은 상기 마개 상면의 하측과 접촉되게 설치되고, 상기 가이드의 길이보다 짧게 형성된 것이 좋다.
상기 마개가스켓의 폭은 상기 마개의 상면 외측으로 돌출되지 않도록 형성되어야 한다.
상기 케이스는 사각 캔형으로 형성된 것이 좋다.
또한, 본 발명은 케이스의 내부에 전극 조립체를 수납하는 단계와, 전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 포함하는 캡 조립체에 의해 상기 케이스를 밀봉하는 단계와, 상기 전해액 주입구에 전해액을 자연주입하는 단계 및 상기 전해액 주입구를 마개로 밀봉하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 상기 전해액 주입구의 밀봉은 상기 전해액 주입구와 마개 사이를 용접하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
이하에서는 본 발명에 따른 이차 전지의 실시예를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지의 분리사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이차 전지의 캡 플레이트를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 이차 전지의 마개를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
이들 도면을 참조하면, 이차 전지는 일측이 개구된 케이스(200)와 케이스(200)의 내부에 수용되는 전극 조립체(250)와, 케이스(200)의 개구(201)에 결합되어 케이스(200)의 상단을 밀봉하는 캡 조립체(100)를 구비하여 이루어지는 베어 셀을 가진다.
본 실시예는 각형으로서 케이스(200)는 대략 사각박스 형상을 가진 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성되어 케이스(200)의 개구(201)를 통해 전극 조립체(250)와 전해액이 수용된다. 케이스(200)는 그 자체가 제1,2전극(215,225) 중 어느 하나의 전극단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.
전극 조립체(250)는 얇은 판형 또는 막형으로 형성되어 제1전극탭(215)과 연결되는 제1전극(210), 세퍼레이터(230), 제2전극탭(225)이 설치된 제2전극(220)의 적층체를 와형으로 권취하여 형성한다. 이때, 제1,2전극(210,220)은 음극이나 양극이 된다. 여기서, 제1전극(210)은 통상적으로 음극인 것이 바람직하다.
음극은 전도성의 금속 박판, 이를 테면, 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 단자가 접속되어 상측으로 인출된다.
양극은 도전성이 우수한 금속 박판 예컨대, 알미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 코팅되며 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 포함한다. 양극은 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 단자가 전기적으로 연결되어 상측으로 인출된다.
세퍼레이터(230)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 공중합체(Co-Polymer)로 이루어지며, 제1,2전극(210,220)보다 폭을 넓게 하여 형성되는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
캡 조립체(100)는 케이스(200)이 개구(201)를 커버하여 밀봉하는 것으로서, 케이스(200)의 개구(201)에 대응되는 크기와 형상을 갖는 평판형의 캡 플레이트(110)가 마련된다. 캡 플레이트(110)의 하면에는 절연 플레이트(140)가 설치되고, 절연플레이트(140)의 하면에는 제1전극(210)에 설치된 제1전극탭(215)과 전기적으로 연결되는 단자 플레이트(150)가 설치된다.
캡 플레이트(110)는 중앙부에 전극단자(130)가 관통되어 제1전극탭(215)과 연결되는 제1단자통공(111)이 형성되고, 제1단자통공(111)에는 전극단자(130)와 캡 플레이트(110)를 전기적으로 절연시키기 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치된다.
캡 플레이트(110)의 일측에는 소정 크기의 전해액 주입구(113)가 형성된다. 전해액 주입구(113)는 캡 조립체(100)가 케이스(200)의 상단 개구(201)에 조립된 후, 전해액 주입구(113)를 통해 전해액이 주입되면 마개(115)에 의해 밀폐된다.
여기서, 전해액 주입구(113)는 다각형 형상으로 형성된다. 더욱 상세하게 설명하면, 전해액 주입구(113)는 그 면적이 캡 플레이트(110) 면적의 5~20%로 형성되어 종래의 전해액 주입구보다 크게 형성된다. 또한, 전해액 주입구(113)는 직선면을 갖는 다각형 중에서도 사각형 또는 직사각형 형상을 갖도록 형성되어 마개(115)와 전해액 주입구(113)를 용접시킬 때 용접궤적이 직선을 갖도록 한다. 즉, 용접궤적이 직선이면 용접궤적이 곡선일 때 보다 용접기의 이동경로가 안정적이므로 용접이 용이하고, 용접의 질이 좋아질 수 있다.
한편, 전해액 주입구(113)는 마개(115)에 의해 밀봉된다. 마개(115)는 전해액 주입구(113)의 형상과 대응되게 형성되어야 한다. 더욱 상세하게 설명하면, 마개(115)의 상면은 전해액 주입구(113)의 면적보다 넓게 형성되어 마개(115)가 전해액 주입구(113)를 통해 캡 플레이트(110)의 내측으로 삽입되는 것을 방지한다. 또한, 마개(115)는 전해액 주입구(113)의 내면과 접촉되도록 하측으로 돌출되는 가이드(115a)가 형성된다. 그리고, 가이드(115a)의 외면에는 마개가스켓(117)이 마련된다.
마개가스켓(117)은 마개(115)와 전해액 주입구(113) 사이의 밀봉을 돕기 위한 것으로서, 마개가스켓(117)은 가이드(115a)의 외면에 설치되되 가이드(115a)의 상측 즉, 마개(115) 상면의 하측과 접촉되게 설치되며, 마개가스켓(117)의 폭은 마개(115)의 상면 외측으로 돌출되지 않도록 형성되어야 한다. 그리고, 마개가스켓 (117)의 길이는 가이드(117a)의 길이보다 짧게 형성어야 한다. 이것은 전해액 주입구(113)에 마개(115)가 삽입되어 밀봉된 후, 전해액 주입구(113)와 마개(115)를 용접하기 위함이다.
절연 플레이트(140)는 가스켓(120)과 같이 절연물질로 형성되며 캡 플레이트(110)의 하면에 결합된다. 절연 플레이트(140)는 캡 플레이트(110)의 제1단자통공(111)과 대응되게 형성되어 연통되는 제2단자통공(141)이 형성된다.
터미널 플레이트(150)는 Ni금속 또는 이의 합금으로 형성되며, 절연 플레이트(140)의 하면에 결합된다. 터미널 플레이트(150)는 캡 플레이트(110)의 제1단자통공(111)에 대응되는 제3단자통공(151)이 형성된다.
전극 조립체(250)의 상측에는 전극 조립체(250)와 캡 조립체(100)와의 전기적 절연과 전극 조립체(250)의 상단부를 커버하는 절연케이스(160)가 설치된다. 절연케이스(160)는 전극 조립체(250)의 상측으로 인출된 제1,2전극단자(215,225)가 관통되는 리드 통공(163,165)이 형성되고 측방에는 전해액 주입구 통과공(161)이 형성된다.
또한, 절연케이스(160)는 전극 조립체(250)의 상측에 설치되어 전극 조립체(250)와 캡 플레이트(110)를 절연시키는 것으로서, 절연성을 갖는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 이차 전지의 제조 방법을 상세히 설명한다.
먼저, 케이스(200)의 개구(201)를 통해 전극 조립체(250)를 수납시킨다. (S310)
다음. 케이스(200)의 개구(201)는 캡 조립체(100)로 밀봉시킨다.
여기서, 캡 조립체(100)는 먼저 절연케이스(160)가 전극 조립체(250)의 상측에 설치된다. 이때, 전극 조립체(250)의 제1,2전극탭(215,225)은 절연케이스(160)의 리드 통공(163,165)을 통해 상측으로 인출된다.
캡 플레이트(110)와 절연플레이트(140) 그리고 터미널 플레이트(150)는 순차적으로 적층되고, 전극단자(130)는 가스켓(120)에 삽입되어 제1,2,3단자통공(111,141,151)을 관통하도록 삽입된다.
다음 캡 플레이트(110)는 케이스(200)의 개구(201)를 밀봉하도록 설치되고, 절연케이스(160)의 리드 통공(163,165)을 통해 인출된 제1,2전극탭(215,225)은 각각 전극단자(130)와 캡 플레이트(110)의 저면과 연결된다.(S320)
다음, 전해액은 전해액 캡 플레이트(110) 면적의 5~20%의 크기로 형성된 직사각형 전해액 주입구(113)를 통해 자연주입된다. 주입된 전해액은 절연케이스(160)에 형성된 전해액 주입구 통과공(161)과 리드 통공(163,165)을 통해 케이스(200)의 내부로 인입된다. (S330)
다음, 전해액 주입구(113)는 마개(115)에 의해 커버된다. 상세히 설명하면, 마개(115)는 하측에 돌출되게 형성된 가이드(115a)의 외면이 전해액 주입구(113)의 내면과 접촉되게 삽입된다. 전해액 주입구(113)는 마개(115)의 상면 하측에 설치된 마개가스켓(117)에 의해 밀봉된다. (S340)
다음, 마개(115)와 전해액 주입구(113) 사이에는 마개가스켓(117)의 외측에 용접을 실시하여 밀봉을 강화시킨다.(S350)
본 발명에 따르면, 이차 전지는 전해액 주입구의 크기가 종래보다 크게 형성되도록 하여 전해액이 자연주입법에 의해 케이스에 주입될 수 있도록 하는 이점이 있다.
또한, 이차 전지는 전해액 주입구를 직선으로 이루어진 다각형 형태를 갖도록 형성함에 따라 전해액 주입구와 마개의 용접시 용접궤적이 직선을 유지하여 용접불량을 줄여주는 이점이 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 후술하는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (16)

  1. 일측이 개구된 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수용되는 전극 조립체;
    상기 케이스를 밀봉시키며 일측에 마개에 의해 밀봉되는 다각형 형상의 전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 갖는 캡 조립체를 포함하며,
    상기 전해액 주입구의 크기는 상기 캡 플레이트 면적의 5~20%인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전해액 주입구는 사각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전해액 주입구는 직사각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 마개는 상기 전해액 주입구의 형상에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 마개는 그 상면이 상기 전해액 주입구의 면적보다 넓으며, 상기 전해액 주입구의 내면과 접촉되도록 하측으로 돌출된 가이드가 마련된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가이드의 외면에는 가스켓이 마련된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 가스켓은 상기 마개 상면의 하측과 접촉되게 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가스켓은 상기 가이드의 길이보다 짧게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 가스켓의 폭은 상기 마개의 상면 외측으로 돌출되지 않도록 형성된 것 을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 사각 캔형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 케이스의 내부에 전극 조립체를 수납하는 단계;
    전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 포함하는 캡 조립체에 의해 상기 케이스를 밀봉하는 단계;
    상기 전해액 주입구에 전해액을 자연주입하는 단계; 및
    상기 전해액 주입구를 마개로 밀봉하는 단계;를 포함하며,
    상기 전해액 주입구의 크기는 상기 캡 플레이트 면적의 5~20% 인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전해액 주입구의 밀봉은 상기 전해액 주입구와 마개 사이를 용접하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 전해액 주입구는 다각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 마개는 상기 전해액 주입구와 대응되는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
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